CN102879471A

CN102879471A - 基于图表控件的结构层析成像方法

Info

Publication number: CN102879471A
Application number: CN2012103549717A
Authority: CN
Inventors: 何鲜峰
Original assignee: Individual
Current assignee: He Xianfeng; Yellow River Institute of Hydraulic Research
Priority date: 2012-09-21
Filing date: 2012-09-21
Publication date: 2013-01-16
Anticipated expiration: 2032-09-21
Also published as: CN102879471B

Abstract

本发明涉及基于图表控件的结构层析成像方法，可方便用于在可视化开发环境下混凝土层析成像，以解决现有结构层析成像价格昂贵，使用不便，成像效果差、质量不高的问题，方法是，首先利用微机和反距离加权插值算法对数据预处理，即对反演数据进行插值加密预处理，再进行控件设置，先在开发环境窗体上放置2个图表控件，构成窗体控件，利用图表控件和微机生成等值线图及云图，然后对数据载入，窗体控件设置和成像数据插值加密完成后，通过数据载入方法把数据分别传递给等值线类型曲线和云图类型曲线，实现数据载入和成像，再进行真实坐标标签及网格线绘值，本发明方法简单，易操作，应用效果好，成像效果清晰，定位准确，有效满足结构层析成像要求。

Description

基于图表控件的结构层析成像方法

技术领域

本发明涉及建筑，特别是一种基于图表控件（TChart）的结构层析成像方法。

背景技术

在建筑混凝土结构层析成像是把结构想象成可分割的一系列剖面，分别给出每个剖面的波速分布图像，根据结构检测剖面波速与强度、密实度、内部缺陷间的关系，通过一系列图像来分析结构内部质量的一种无损检测技术。目前，利用反演结果实现层析成像的方法主要有两类：（1）基于Surfer、Mapinfo、ArcGIS的商业软件方法；（2）基于等值线和云图有关算法结合计算机成像原理自行开发成像模块的方法。但使用商业软件方法的缺点在于，要么难以嵌入用户用开发的可视化层析成像综合分析系统，要么价格昂贵、使用不便，不利于推广使用；而自行开发的模块虽然可以嵌入户用开发软件，但成像效果较差，成像质量不高。因此，寻找一种在可视化开发环境下方便使用的成像问题，是解决混凝土层析成像的一个关键。

发明内容

针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明之目的就是提供一种基于图表控件（TChart）的结构层析成像方法，可方便用于在可视化开发环境下混凝土层析成像，以解决现有结构层析成像价格昂贵，使用不便，成像效果差、质量不高的问题。

本发明解决的技术方案是，首先利用微机（电脑）和反距离加权插值算法对数据预处理，即对反演数据进行插值加密预处理，再进行控件设置，先在开发环境窗体上放置2个图表控件（TChart），构成窗体控件，利用图表控件（TChart）和微机生成等值线图及云图，然后对数据载入，窗体控件设置和成像数据插值加密完成后，通过数据载入方法把数据分别传递给等值线类型曲线（TContourSeries）和云图类型曲线（TColorGridSeries），实现数据载入和成像，最后再进行真实坐标标签及网格线绘值。

本发明方法简单，易操作，应用效果好，成像效果清晰，定位准确，有效满足结构层析成像要求，经济和社会意义巨大。

附图说明

图1为本发明加密点插值算法示意图。

图2为本发明添加曲线示意图。

图3为本发明坐标轴标签和单元网格添加前示意图。

图4为本发明坐标轴标签和单元网格添加后示意图。

图5为本发明模型缺陷设置（cm）图。

图6为本发明超声检测布置图。

图7为本发明基于TChart的混凝土层析成像等值线效果图。

图8为本发明基于TChart的混凝土层析成像云图效果图。

具体实施方式

以下结合具体情况和附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

在具体实施中，本发明由以下步骤实现：

1、数据预处理，首先利用微机（电脑）和反距离加权插值算法对数据预处理，即对反演数据进行插值加密预处理，方法是：

在现有技术中，直接使用反演的单元波速进行绘图会导致剖面成像左右各缩小半个网格宽度，上下各缩小半个网格高度；为了比较真实的反映检测区域内波速分布情况，需要对反演数据进行必要的插值加密预处理，目前常用的插值方法有双线性插值和反距离加权插值，双线性插值算法的缺点是其平滑作用可能会使一些细节退化，另外双线性插值的斜率是不连续的，反距离加权插值算法是散乱数据场中常用的插值算法，其基本思想是将插值函数定义为已知数据点函数值的加权平均，且加权函数是连续的，反距离加权插值算法在进行插值时,已知点对内插点的影响随它们之间距离的增大而减小，在结构层析成像剖面上，该性质反映了不同位置波速间的相关性；

反距离加权插值算法是将插值函数F(x,y)定义为各数据点函数值f_i的加权平均，即

F (x, y) = Σ_{i = 1}^{n} f_{i} \cdot w_{i} (x, y) - - - (1)

式中：

w_{i} = \frac{{(\frac{1}{d_{i} (x, y)})}^{α}}{Σ_{i = 1}^{n} {(\frac{1}{d_{i} (x, y)})}^{α}} - - - (2)

w_i为数据点i对插值点(x,y)的影响权重；α为权值下降指数，可取2～5；

d_{i} (x, y) = \sqrt{{(x - x_{i})}^{2} + {(y - y_{i})}^{2}} - - - (3)

d_i(x,y)为插值点(x,y)到插值加密点(x_i,y_i)的距离，x为插值点横向坐标，y为插值点纵向坐标；

利用反距离加权插值算法对波速点进行加密时，设单元波速点（图1中实心点）对周围加密点的影响半径r取单元长宽的最大值。如图1所示，对插值点A插值时，以插值点A为圆心，半径为r的邻域内有a₁、a₂、a₃、a₄、a₅、a₆等6个已知点的波速值影响插值点A，利用式（1）～（3）得到插值点A的波速值，实现对检测剖面波速插值数据加密预处理；

在具体实施时，基于反距离加权算法，对检测剖面波速插值加密预处理步骤如下：

（1）读取检测剖面反演时设置的网格行列数m、n

（2）开辟波速加密双精度型二维动态数组，其第一个下标长度为2×m+1，第一个下标长度为2×n+1。

（3）根据x、y坐标方向的单元边长，确定插值点的邻域半径r；

（4）根据式（3），计算每个插值点与附近单元波速点的距离d_i和邻域半径内单元波速点的数量n；

（5）根据式（2），计算邻域半径内单元波速点的对插值点权重；

（6）根据式（1），计算插值点波速；

2、控件设置

利用图表控件（TChart）生成等值线图及云图，要先在开发环境窗体上放置2个图表控件（TChart）（2个图表控件目的是，利用TChart分别生成值线图和云图，即生成值线图需要一个图表控件，生成云图需要另一个图表控件），构成窗体控件，要在程序运行时动态生成等值线，则需在一个图表控件曲线添加模式（图2）下添加一条等值线类型曲线（TContourSeries），要动态生成云图则要再其中一个图表控件上添加一条云图类型曲线（TColorGridSeries），然后双击图表控件，在微机弹出的编辑器内选择坐标轴编辑页（Axis），并分别选择做坐标轴（LeftAxis）和底坐标轴（BottomAxis），并把对应的坐标最小值（MiniNum）和坐标最大值（MaxiNum）页面下自动属性（Auto）前的选择框去掉勾选；

3、数据载入

窗体控件设置和成像数据插值加密完成后，通过数据载入方法把数据分别传递给等值线类型曲线（TContourSeries）和云图类型曲线（TColorGridSeries），实现数据载入和成像，等值线或云图数据载入方法如下：

数据载入包含三个参数，两个整型常数变量分别为数据点行、列数，一个可变参数为图标类型，传递目标控件（procedure CounterGraph(const m,n:integer；var ChartName:TChart)），利用微机，按如下操作方法（运行程度）进行：

数据载入过程开始（begin）；

定义单元行列循环变量和波速转换变量（Var i，j:integer;tt:double）；

设置左坐标轴最大值（ChartName.LeftAxis.Maximum:=2×m）；

设置左坐标轴最小值（ChartName.LeftAxis.Minimum:=0）；

设置底坐标轴最大值（ChartName.BottomAxis.Maximum:=2×n）；

设置底坐标轴最小值（ChartName.BottomAxis.Minimum:=0）；

判断波速数组是否有数据，以免无数据操作失败（if high(Vx)＞1then）；

正对程序中添加的值线类型曲线（TContourSeries）和云图类型曲线（TColorGridSeries）进行数据添加（with Series1 do）；

数据添加块体开始（begin）

曲线数据清零（Clear）；

对数据点各行循环（for i:=0 to 2×m do）

对数据点各列循环（for j:=0 to 2×n do）

双重循环循环体开始（begin）；

数据点波速数据取整（tt:=trunc(MeshPoint[i，j])）；

向曲线添加波速（AddXYZ(j,tt,i)）；

双重循环循环体结束（end）；

数据添加块体结束（end）；

图表控件刷新显示（ChartName.Repaint）；

数据载入过程结束（end）；

4、真实坐标标签及网格线绘值

采用上述方法运行程序后，虽然可以显示出等值线或云图，但此时的横坐标轴显示的是0到最大列数值n，纵坐标轴显示的是0到最大行数值m，与真实值不符，并且在图形上没有单元网格分化线，不利于精确确认图形位置（见图3），为此，需要增加真实坐标轴标签和网格线分划功能（见图4），用户对图表控件（TChart）画板的操作需要在绘图后处理方法（AfterDraw）中实现，即在该方法中添加相关模块，坐标轴真实标签显示模块和网格线分划功能模块实现方法如下：

①绘制坐标轴标签方法

绘制坐标轴标签方法，该方法包含一个可变参数和两个整型参数，可变参数代表将被绘制标签的图标控件（TChart），整型参数代表单元总行数和总列数（procedureDrawLabel(ChartName:TChart;m,n:integer)），整型参数有6个，分别代表循环变量、相对位置变量、绘图区左边界变量、绘图区右边界变量、绘图区上边界变量、绘图区下边界变量（vari,tt,HIStartPos,HIEndPos,VIStartPos,VIEndPos:integer）；

过程开始（begin）

得到绘图区水平左边界值（像素数）(HIStartPos:=ChartName.BottomAxis.IStartPos)；

得到绘图区水平右边界值（像素数）(HIEndPos:=ChartName.BottomAxis.IEndPos)；

得到绘图区竖向上边界值（像素数）(VIStartPos:=ChartName.LeftAxis.IStartPos)

得到绘图区竖向下边界值（像素数）(VIEndPos:=ChartName.LeftAxis.IEndPos)；

设置画笔颜色（ChartName.Canvas.Pen.Color:=ClBlack）；

循环绘制横坐标各标签(for i:=0 to n do)

循环体开始（begin）

计算标签横坐标相对位置（tt:=HIStartPos+round((HIEndPos-HIStartPos)*i/n)）；

画笔放置到标签线起点，起点纵坐标为绘图区竖向下边界值（ChartName.Canvas.MoveTo(tt,VIEndPos)）；

画笔移动到标签线终点，终点纵坐标为绘图区竖向下边界值加3（ChartName.Canvas.LineTo(tt,VIEndPos+3)）；

每次循环在控件画板内输出文字内容为循环变量与单元宽度的乘积，输出位置的横坐标为标签相对位置减3，纵坐标为绘图区竖向下边界加7；

如果循环变量等于总列数，控件画板内额外输出内容为“/m”，输出位置的横坐标为标签相对位置减3，纵坐标为绘图区竖向下边界加7；

循环体结束（end）；

循环绘制纵坐标各标签(for i:=0 to m do)

循环体开始（begin）

计算标签纵坐标相对位置（tt:=VIStartPos+round((VIEndPos-VIStartPos)*i/m)）；

画笔放置到标签线起点，起点横坐标为绘图区水平左边界值（ChartName.Canvas.MoveTo(HIStartPos,tt)）；

画笔移动到标签线终点，终点横坐标为绘图区水平左边界值减3（ChartName.Canvas.LineTo(HIStartPos-3,tt)）；

每次循环在控件画板内输出文字内容为循环变量与单元高度的乘积，输出位置的横坐标为绘图区水平左边界减32，纵坐标为计算的标签相对位置减5；

如果循环变量等于总行数，控件画板额外输出内容为“m”，输出位置的横坐标为绘图区水平左边界减27，纵坐标为计算的标签相对位置加5；

循环体结束（end）；

过程结束（end）。

②绘制单元网格分划线过程如下：

绘制单元网格分划线方法，该方法包含一个可变参数和两个整型参数，可变参数代表将被绘制标签的图标控件（TChart），整型参数代表单元总行数和总列数（procedure DrawGrid(ChartName:TChart;m,n:integer)），整型参数有6个，分别代表循环变量、相对位置变量、绘图区左边界变量、绘图区右边界变量、绘图区上边界变量、绘图区下边界变量（vari,tt,HIStartPos,HIEndPos,VIStartPos,VIEndPos:integer）；

过程开始（begin）

得到绘图区水平左边界（像素数）(HIStartPos:=ChartName.BottomAxis.IStartPos)；

得到绘图区水平右边界（像素数）(HIEndPos:=ChartName.BottomAxis.IEndPos)；

得到绘图区竖向上边界（像素数）(VIStartPos:=ChartName.LeftAxis.IStartPos)；

得到绘图区竖向下边界（像素数）(VIEndPos:=ChartName.LeftAxis.IEndPos)；

设置画笔颜色（ChartName.Canvas.Pen.Color:=ClBlack）；

设置画笔线型（ChartName.Canvas.Pen.Style:=PsDot）；

绘制网格竖向分划线，对列循环（for i:=1 to n-1do）；

循环体开始（begin）

计算网格竖向分划线横坐标值（tt:=HIStartPos+round((HIEndPos-HIStartPos)×i/n)）；

在图表控件绘图板设置网格竖向分划线画笔起点位置，该点横坐标为上述计算得到的竖线横坐标值，纵坐标为绘图区竖向上边界值（像素数）（ChartName.Canvas.MoveTo(tt,VIStartPos)）；

在图表控件绘图板设置网格竖向分划线画笔终点位置，该点横坐标为计算得到的竖线横坐标值，纵坐标为绘图区竖向下边界值（像素数）（ChartName.Canvas.LineTo(tt,VIEndPos)）；

循环体结束（end）；

绘制网格水平分划线，对行循环（for i:=1 to m-1do）；

循环体开始（begin）

计算网格水平分划线纵坐标值（tt:=VIStartPos+round((VIEndPos-VIStartPos)*i/m)）；

在图表控件绘图板设置网格水平分划线画笔起点位置，该点横坐标为绘图区水平左边界（像素数），纵坐标为上述计算得到的网格水平分划线纵坐标值（ChartName.Canvas.MoveTo(HIEndPos,tt)）；

在图表控件绘图板设置网格水平分划线画笔终点位置，该点横坐标为计算得到的竖线横坐标值，纵坐标为绘图区竖向下边界值（像素数）（ChartName.Canvas.LineTo(HIStartPos,tt)）；

循环体结束（end）；

过程结束（End）.

③图表控件（Tchart）的绘图后处理（AfterDraw）方法中添加上述模块功能方式如下：

绘图后处理方法实现过程（procedure Chart1AfterDraw(Sender:TObject)）

过程起始（begin）

绘制坐标轴标签(DrawLabel(ChartName))；

绘制单元网格线(DrawGrid l(ChartName))；

过程结束(End)；

5、混凝土层析成像实现流程与验证

根据上述模块操作方法，基于图表控件（TChart）的结构层析成像流程如下：

（1）在窗体放置2个图表控件（TChart）；

（2）在其中一个图表控件上添加等值线类型曲线（TContourSeries），在另外一个图表控件上添加云图类型曲线（TColorGridSeries）；

（3）在控件的绘图后处理方法（AfterDraw）下添加绘制坐标轴标签方法和绘制网格分化线方法；

（4）通过反演得到层析成像剖面网格点反演波速；

（5）成像剖面波速点插值加密；

（6）向等值线类型曲线（TContourSeries），在另外一个图表控件上添加云图类型曲线（TColorGridSeries）载入数据；

（7）图表控件（TChart）刷新显示，从而实现结构层析成像。

6、技术验证

为了证明按照上述（1）～（5）技术步骤实现的结构层析成像方法的正确性和进一步验证成像效果和稳定性，制作如图5所示混凝土构件。该构件混凝土强度设计等级C25，构件尺寸(长×宽×高)为1O0×60×12cm³，其中预埋模拟缺陷的两个不密实混凝土块，其尺寸为10×10×12cm³。超声检测方式见图6。根据检测结果，SIRT反演算法采用专用反演工具进行反演分析，得到各单元波速如表1所示。

表1模型检测剖面单元波速反演结果单位m/s

根据表1波速，利用上述成像技术，得到该模型层晰成像等值线图和云图如图7、8所示，从中可以观察到缺陷所在位置以及模型内部混凝土质量分布情况与模型构件预设缺陷吻合。

上述成像结果表明基于图标控件（TChart）的结构层析成像技术成像效果清晰，色彩对比强烈、定位准确，可以满足结构层析成像要求，有效解决了在可视化开发环境下方便使用成像这一关键问题，是建筑混凝土层析成像技术上的创新。

Claims

1.一种基于图表控件的结构层析成像方法，其特征在于，由以下步骤实现：

（1）、数据预处理，首先利用微机和反距离加权插值算法对数据预处理，即对反演数据进行插值加密预处理，方法是：

F (x, y) = Σ_{i = 1}^{n} f_{i} \cdot w_{i} (x, y)

式中：

w_{i} = \frac{{(\frac{1}{d_{i} (x, y)})}^{α}}{Σ_{i = 1}^{n} {(\frac{1}{d_{i} (x, y)})}^{α}}

d_{i} (x, y) = \sqrt{{(x - x_{i})}^{2} + {(y - y_{i})}^{2}}

利用反距离加权插值算法对波速点进行加密时，设单元波速点对周围加密点的影响半径r取单元长宽的最大值，对插值点A插值时，以插值点A为圆心，半径为r的邻域内有a₁、a₂、a₃、a₄、a₅、a₆等6个已知点的波速值影响插值点A，利用式①～③得到插值点A的波速值，实现对检测剖面波速插值数据加密预处理；

（2）、控件设置

利用图表控件生成等值线图及云图，要先在开发环境窗体上放置2个图表控件，构成窗体控件，要在程序运行时动态生成等值线，则需在一个图表控件曲线添加模式下添加一条等值线类型曲线，要动态生成云图则要再其中一个图表控件上添加一条云图类型曲线，然后双击图表控件，在微机弹出的编辑器内选择坐标轴编辑页，并分别选择做坐标轴和底坐标轴，并把对应的坐标最小值和坐标最大值页面下自动属性前的选择框去掉勾选；

（3）、数据载入

窗体控件设置和成像数据插值加密完成后，通过数据载入方法把数据分别传递给等值线类型曲线和云图类型曲线，实现数据载入和成像，等值线或云图数据载入，方法是：

数据载入包含三个参数，两个整型常数变量分别为数据点行、列数，一个可变参数为图标类型，传递目标控件，利用微机，按如下操作方法进行：

数据载入过程开始；

定义单元行列循环变量和波速转换变量；

设置左坐标轴最大值=2×m；

设置左坐标轴最小值=0；

设置底坐标轴最大值=2×n；

设置底坐标轴最小值=0；

判断波速数组是否>1，以免无数据操作失败；

正对程序中添加的值线类型曲线和云图类型曲线进行数据添加；

数据添加块体开始；

曲线数据清零；

对数据点各行循环=0 to 2×m do；

对数据点各列循环0 to 2×n do；

双重循环循环体开始；

数据点波速数据取整；

向曲线添加波速；

双重循环循环体结束；

数据添加块体结束；

图表控件刷新显示；

数据载入过程结束；

（4）、真实坐标标签及网格线绘值：

采用上述运行程序后，虽然可以显示出等值线或云图，但此时的横坐标轴显示的是0到最大列数值n，纵坐标轴显示的是0到最大行数值m，与真实值不符，并且在图形上没有单元网格分化线，不利于精确确认图形位置，为此，需要增加真实坐标轴标签和网格线分划功能，用户对图表控件画板的操作需要在绘图后处理方法中实现，即在该方法中添加相关模块，坐标轴真实标签显示模块和网格线分划功能模块实现方法如下：

a、绘制坐标轴标签方法

该方法包含一个可变参数和两个整型参数，可变参数代表将被绘制标签的图标控件，整型参数代表单元总行数和总列数，整型参数有6个，分别代表循环变量、相对位置变量、绘图区左边界变量、绘图区右边界变量、绘图区上边界变量、绘图区下边界变量；

过程开始

得到绘图区水平左边界值；

得到绘图区水平右边界值；

得到绘图区竖向上边界值；

得到绘图区竖向下边界值；

设置画笔颜色；

循环绘制横坐标各标签=0 to n do

循环体开始

计算标签横坐标相对位置；

画笔放置到标签线起点，起点纵坐标为绘图区竖向下边界值；

画笔移动到标签线终点，终点纵坐标为绘图区竖向下边界值加3；

如果循环变量等于总列数，输出位置的横坐标为标签相对位置减3，纵坐标为绘图区竖向下边界加7；

循环体结束；

循环绘制纵坐标各标签=0 to m do

循环体开始；

计算标签纵坐标相对位置；

画笔放置到标签线起点，起点横坐标为绘图区水平左边界值；

画笔移动到标签线终点，终点横坐标为绘图区水平左边界值减3；

循环体结束；

过程结束；

b、绘制单元网格分划线方法如下：

过程开始；

得到绘图区水平左边界；

得到绘图区水平右边界；

得到绘图区竖向上边界；

得到绘图区竖向下边界；

设置画笔颜色；

设置画笔线型；

绘制网格竖向分划线，对列循环变量i＝1 to n-1do；

循环体开始；

计算网格竖向分划线横坐标值×i/n；

在图表控件绘图板设置网格竖向分划线画笔起点位置，该点横坐标为上述计算得到的竖线横坐标值，纵坐标为绘图区竖向上边界值；

在图表控件绘图板设置网格竖向分划线画笔终点位置，该点横坐标为计算得到的竖线横坐标值，纵坐标为绘图区竖向下边界值；

循环体结束；

绘制网格水平分划线，对行循环i=1 to m-1do；

循环体开始；

计算网格水平分划线纵坐标值×i/m；

在图表控件绘图板设置网格水平分划线画笔起点位置，该点横坐标为绘图区水平左边界，纵坐标为上述计算得到的网格水平分划线纵坐标值；

在图表控件绘图板设置网格水平分划线画笔终点位置，该点横坐标为计算得到的竖线横坐标值，纵坐标为绘图区竖向下边界值；

循环体结束；

过程结束；

c、图表控件的绘图后处理方法中添加上述模块功能方式如下：

绘图后处理方法实现过程；

过程块体起始标志；

绘制坐标轴标签；

绘制单元网格线；

块体过程结束(End)，根据上述方法，实现混凝土结构层析成像与验证。

2.根据权利要求1所述的基于图表控件的结构层析成像方法，其特征在于，所述的基于反距离加权算法，对检测剖面波速插值加密预处理步骤如下：

（1）读取检测剖面反演时设置的网格行列数m、n；

（2）开辟波速加密双精度型二维动态数组，其第一个下标长度为2×m+1，第一个下标长度为2×n+1；

（4）根据权利要求1步骤1中的式③，计算每个插值点与附近单元波速点的距离d_i和邻域半径内单元波速点的数量n；

（5）根据权利要求1步骤1中的式②，计算邻域半径内单元波速点的对插值点权重；

（6）根据权利要求1步骤1中的式①，计算插值点波速。

3.根据权利要求1所述的基于图表控件的结构层析成像方法，其特征在于，所述的混凝土层析成像，方法如下：

（1）在窗体放置2个图表控件；

（2）在其中一个图表控件上添加等值线类型曲线，在另外一个图表控件上添加云图类型曲线；

（3）在控件的绘图后处理方法下添加绘制坐标轴标签方法和绘制网格分化线方法；

（4）通过反演得到层析成像剖面网格点反演波速；

（5）成像剖面波速点插值加密；

（6）向等值线类型曲线，在另外一个图表控件上添加云图类型曲线载入数据；

（7）图表控件刷新显示，从而实现结构层析成像。